Contexte géologique et gîtologique des minières de fer de...

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Relations a

Contexte géologique etue des minières de fer

e la région de Poissons(Haute Marne)

vec l'historique de leur exploitationRapport final

BRGM/RP-53425-FRDécembre 2004

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Relations a

Contexte géologique etue des minières de fer

e la région de Poissons(Haute Marne)

vec l'historique de leur exploitation

Rapport final

BRGM/RP-53425-FRDécembre 2004

Étude réalisée dans le cadre des opérationsde Service public du BRGM 2004-DEP-C04

P. MarteauAvec la collaboration de

P. Jézéquel, F. Simon et F. Alcoser

Contexte géologique et gîtologique des minières de fer de la région de Poissons (Haute-Marne)Relations avec l'historique de leur exploitation

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Mots clés : Minières, Haute-Marne, région de Poissons, minerai de fer, calcaires, Portlandien,karst, puits, cuirasse latéritique, minerai géodique, minerai oolithique.

En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

MARTEAU P. avec la collaboration de JEZEQUEL P., SIMON F. et ALCOSER F. (2004) –Contexte géologique et gîtologique des minières de fer de la région de Poissons (Haute-Marne). Relations avec l'historique de leur exploitation. Rapport BRGM/RP-53425-FR 43 pages,2 figures, 1 tableau, 25 photos.

© BRGM, 2004, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM.


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Synthèse

Dans le cadre de la convention d'appui scientifique et technique du BRGM auprès dela Sous-Direction de l'Archéologie pour la connaissance du sous-sol et les étudesd'archéologie, le BRGM a réalisé en 2001 un inventaire des minières de fer de Haute-Marne. Ce travail a été effectué à partir de la Banque de données du Sous-Sol (BSS)du BRGM, de l'examen des cartes géologiques et de la bibliographie existante. Il apermis d'identifier 90 sites géoréférencés et cartographiés sur le fond géologique dudépartement.

Pour la période 2003 – 2004, une étude du site des extractions anciennes des minièresde fer de Poissons, qui paraît être le plus complexe et le plus vaste des gîtes ferrifèresde la Haute-Marne, a été menée en collaboration avec l'équipe CNRS du ProjetCollectif de Recherche "Mines et minerais de fer de Haute-Marne" (responsable D.Morin).

Cette étude a porté sur le contexte géologique et géomorphologique des minières,ainsi que sur la caractérisation des minerais et leur origine. Initialement prévue sur lessecteurs de Calais et de Laiçon de part et d'autre de la route des lacets de Mélaire(environ 1,5 km au Nord de Poissons), elle a été étendue au secteur dit des "HautesMinières" sur la commune de Montreuil-sur-Thonnance, environ 3 km au Nord dupremier secteur. En effet, si le premier secteur est plus "spectaculaire" quant aucontexte du gisement, il a été totalement dépilé, alors que le second, moinsintensément exploité, a l'avantage de conserver du minerai encore en place in situ.

L'étude 2003 – 2004 a comporté les phases suivantes :

Travaux de terrain : étude et compréhension du contexte géologique etgéomorphologique des secteurs de Mélaire et des Hautes Minières

levé de terrain et report sur le fond topographique IGN (échelle 1/2 5000 agrandie à1/12 500) des gisements sur une zone de 3 km² environ) : lithostratigraphie,géologie structurale et géomorphologie, hydrogéologie, dans le contexte local desformations de calcaires karstifiés du Jurassique et des placages résiduels duCrétacé ;

échantillonnage des faciès les plus représentatifs de minerais ;

restitution d'une carte numérisée multicouche sous format MAPINFO ;


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Etudes en laboratoire : caractérisation des différents types de minerais et d'un résidude lavage en provenance d'un bocard

description par examen optique de la pétrographie, de la minéralogie et de latexture de 8 échantillons de minerais,

étude minéralogique sur lames minces polies de 3 minerais sélectionnés parmi ceséchantillons, et contrôle au microscope électronique à balayage (MEB) afin dedéterminer la structure, la minéralogie et la répartition des éléments majeurs ;

analyse chimique élémentaire "9 éléments de minerais de fer" par Fluorescence Xsur les 8 échantillons.

Synthèse des données

La synthèse des données de terrain et des résultats d'analyse a permis unecomparaison des différents types de minerais, de leurs origines et de leurs évolutionspossibles, aboutissant ainsi à une reconstitution de la genèse des gisements, quipermet de comprendre ainsi les particularités de leur contexte gîtologique. Il apparaîtque le minerai de fer des minières de la région de Poissons est le reliquat d'unecuirasse latéritique ferrugineuse formée en climat tropical pendant une phased'émersion du Crétacé inférieur, puis démantelée et piégée dans des pocheskarstiques en formation dans le substrat calcaire jurassique sous-jacent dès cetteépoque.

Sur le plan archéologique, cette étude peut contribuer à expliquer comment ont pu êtredécouverts ces gisements, et comment ont pu se dérouler les différentes phasesd'exploitation possibles, attestées depuis le 17° siècle, les premières extractionspouvant probablement remonter à une période plus ancienne (Antiquité gallo-romaineou Âge du Fer ?).


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Sommaire

1. INTRODUCTION ............................................................................................................................. 7

2. GÉOLOGIE ET GÉOMORPHOLOGIE DES SITES DE POISSONS ET DE MONTREUIL-SUR-THONNANCE .................................................................................................................................. 9

2.1. BREF HISTORIQUE DES CONNAISSANCES GÉOLOGIQUES ............................................................... 92.2. CONTEXTE GÉOLOGIQUE ACTUEL .............................................................................................. 10

2.2.1. Données de la carte géologique à 1/50 000 ......................................................................... 112.2.2. Interprétation géologique actualisée.................................................................................... 11

2.3. GÉOMORPHOLOGIE ET TRAITS HYDROGÉOLOGIQUES ACTUELS .................................................. 182.3.1. Géomorphologie des sites .................................................................................................... 182.3.2. Aspects hydrogéologiques et fonctionnement du karst ......................................................... 22

3. CARACTÉRISATION DES MINERAIS...................................................................................... 23

3.1. DESCRIPTION PÉTROGRAPHIQUE ET MINÉRALOGIQUE OPTIQUE, CONTRÔLE AU MICROSCOPEÉLECTRONIQUE À BALAYAGE.................................................................................................................. 233.2. ANALYSE CHIMIQUE PAR FLUORESCENCE X............................................................................... 353.3. SYNTHÈSE DES DONNÉES PÉTROGRAPHIQUES ET ANALYTIQUES................................................. 36

4. SYNTHÈSE GÉOLOGIQUE ET PROPOSITION D'UN MODÈLE DE GENÈSE DUGISEMENT .............................................................................................................................................. 38

4.1. ALTÉRATION LATÉRITIQUE LORS DE LA PHASE D'EMERSION ÉO-CRÉTACÉE, FORMATION ETPIÈGEAGE DU MINERAI "GÉODIQUE" ....................................................................................................... 384.2. LA TRANSGRESSION CRÉTACÉE ET LA FORMATION DU MINERAI "OOLITHIQUE" ......................... 394.3. EVOLUTION DES GISEMENTS APRÈS LEUR MISE EN PLACE.......................................................... 41

5. RELATIONS POSSIBLES ENTRE LES CARACTÉRISTIQUES DES GISEMENTS ETLEUR EXPLOITATION HISTORIQUE .............................................................................................. 42

6. CONCLUSIONS.............................................................................................................................. 43


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liste des illustrations

FIGURE 1 – CARTE GÉOLOGIQUE ET GÉOMORPHOLOGIQUE DE LA RÉGION DE POISSONS ...................12FIGURE 2 – MODÈLE DE GENÈSE DES GISEMENT DE FER D'ORIGINE LATÉRITIQUE (RÉGION DE

POISSONS) ............................................................................................................................40

PHOTO 1 – ASPECT LITHOSTRATIGRAPHIQUE DES BANCS DE CALCAIRE PORTLANDIEN, SITE DE MÉLAIRE.............................................................................................................................................13

PHOTO 2 – ASPECT LITHOSTRATIGRAPHIQUE DES BANCS DE CALCAIRE PORTLANDIEN, SITE DU LAIÇON.............................................................................................................................................14

PHOTO 3 – FOSSILES D'OSTREA SUB-EN PLACE, SITE DU LAIÇON.....................................................14PHOTO 4 – MINERAI DE FER EN PLACE ............................................................................................15PHOTO 5 – REMPLISSAGE KARSTIQUE EN PLACE, SITE DES HAUTES MINIÈRES..................................16PHOTO 6 – AVEN AVEC PUITS VERTICAL, SITE DU LAIÇON.................................................................19PHOTO 7 – DÉPRESSION ALLONGÉE À FOND ASSEZ PLAT, DE TYPE POLJÉ, SITE DU BOIS DE MÉLAIRE 19PHOTO 8 – FENTE VERTICALE ÉTROITE, SITE DU LAIÇON.................................................................19PHOTO 9 – PUITS VERTICAL À SURFACE CANELLÉE, SITE DU LAIÇON................................................20PHOTO 10 – DÉPRESSION DE TYPE DOLINE, SITE DES HAUTES MINIÈRES .........................................21PHOTO 11 – POCHE KARSTIQUE À REMPLISSAGE ARGILEUX, SITE DES HAUTES MINIÈRES .................21PHOTO 12 – PÉTROGRAPHIE ÉCHANTILLON HM 1 ..........................................................................24PHOTO 13 – HM1 - CONTRÔLE MORPHOSCOPIQUE DES GRAINS DE QUARTZ AU MEB......................25PHOTO 14 - HM 1 : REMPLISSAGE FERRUGINEUX CIMENTANT LES GRAINS DE QUARTZ. .....................25PHOTO 15 – PÉTROGRAPHIE ÉCHANTILLON HM 2 ...........................................................................26PHOTO 16 – PÉTROGRAPHIE ÉCHANTILLON HM 3 ...........................................................................27PHOTO 17 – PÉTROGRAPHIE ÉCHANTILLON HM 4 ...........................................................................27PHOTO 18 - HM4 : RELIQUE DE STRUCTURE OOLITHIQUE VISIBLE DANS UNE PLAGE À FE>>> O,ε SI, AL,

P...........................................................................................................................................28PHOTO 19 - HM4 : RELIQUES D’ARGILANES FERRUGINISÉS À TEXTURE MICROGRENUE ......................29PHOTO 20 – PÉTROGRAPHIE ÉCHANTILLON POI 6..........................................................................31PHOTO 21 - ECHANTILLON POI 6 : IMAGE D’UNE STRUCTURE PISOLITIQUE. ......................................32PHOTO 22 - ÉCHANTILLON POI 6 : VARIABILITÉ DE LA STRUCTURE (LAMELLAIRE FRACTURÉE D’UN CÔTÉ,

AURÉOLÉE DE L’AUTRE). .........................................................................................................33PHOTO 23 – PÉTROGRAPHIE ÉCHANTILLON POI 6..........................................................................33PHOTO 24 – PÉTROGRAPHIE ÉCHANTILLON POI 10........................................................................34PHOTO 25 – PÉTROGRAPHIE ÉCHANTILLON BOCARD DE MONTREUIL...............................................35


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1. Introduction

Dans le cadre de la convention cadre d'appui scientifique et technique du BRGMauprès de la Sous-Direction de l'Archéologie pour "la connaissance du sous-sol et lesétudes d'archéologie", signée le 31 décembre 1999, le BRGM a réalisé en 2001 uninventaire des minières de fer de Haute-Marne (Thibaut, 2001).

Ce travail a été effectué à partir de la Banque de données du Sous-Sol (BSS) duBRGM, de l'examen des cartes géologiques et de la bibliographie existante. Il a permisd'identifier au total 90 sites, géoréférencés et cartographiés sur le fond des cartesgéologiques à 1/50 000 du département. Parmi ces sites, une vingtaine d'entre eux,situés entre la vallée de la Blaise et l'Est de Joinville, dont neuf aux environs dePoissons et de Montreuil-sur-Thonnance, sont décrits comme contenant un minerai detype "géodique", et reposent dans les dépressions et poches karstiques des calcairesdu Jurassique supérieur (Portlandien).

Les résultats de cette première collaboration avec l'équipe CNRS du PCR "Mines etminerais de fer de Haute-Marne" (responsable du projet : Denis Morin) sont présentésdans un mémoire de synthèse en 2002. Dans cet ouvrage, un projet d'étude du site dePoissons en 2003 est proposé par D. Jacquemot (Equipe Pluridisciplinaire d'Etudes etde Recherche sur les Mines Anciennes et le Patrimoine Industriel ERMINA).

La convention d'application 2003 ayant été signée le 26 janvier 2004, l'intervention duBRGM sur le site de Poissons n'a pu se réaliser en 2003, et s'est donc limitée àparticiper à la réunion de lancement du projet (mars 2003), puis à une reconnaissancegéologique de terrain informelle de deux jours en compagnie des participants du PCR(juin 2003), enfin à la réunion de présentation des résultats 2003 et des perspectives2004 à Poissons (décembre 2003).

Dans la présente étude, les résultats des travaux de reconnaissance de terrain et desanalyses d'échantillons réalisés en 2004 sont synthétisés, en intégrant les informationsdéjà recueillies en 2003.


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2. Géologie et géomorphologie des sites dePoissons et de Montreuil-sur-Thonnance

La surface réellement concernée par l'emprise des extractions anciennes du secteurde Mélaire – Le Laiçon au Nord de Poissons couvre un maximum de 2 km² environ,celle du secteur des Hautes Minières au Nord-Ouest de Montreuil-sur-Thonnance, del'ordre de 1 km² environ.

2.1. BREF HISTORIQUE DES CONNAISSANCES GÉOLOGIQUES

Les gisements de fer de la région de Poissons et leur singularité ont attiré depuislongtemps l'attention des naturalistes et des géologues, qui ont fait des observations,de plus en plus interprétatives, répertoriées depuis la fin du 18° siècle. Parmi ceux-cion peut citer entre autre :

• Grignon (1761), qui évoque déjà des "minières épuisées creusées jusqu'à 150pieds, fouillées dans des fentes longitudinales, quarrées, irrégulières ou circulaires,composées de pierres calcaires",

• Cornuel (1856), qui indique que "le minerai rempli des fentes, des boyaux ou puits,des entonnoirs ou autres cavités qui existent dans la masse du calcaireportlandien, et dont plusieurs pénètrent jusqu'à l'argile kimméridgienne",

• Tombeck (1875), qui décrit des "puits dont le diamètre ne dépasse pas 1,5 à 2 m,qui s'évasent d'ordinaire à la partie supérieure en forme d'entonnoirs, et dont laprofondeur va parfois jusqu'à 150 et même 200 m (!). Ils sont "tantôt vides, tantôtremplis en grande partie de limon diluvien, et principalement, comme ceux dePoissons, de minerai erratique",

De même à partir du début du 19° siècle, la réglementation de ces exploitations et leursuivi technique ont donné lieu à des informations intéressantes (mais pas toujoursexactes). Ainsi Roussel Galle (1824), ingénieur des mines, indique que le minerai deMontreuil-sur-Thonnance et de Poissons "gît en amas à la partie supérieure descoteaux, dans les dépressions du calcaire jurassique, en couches horizontales" (sic),

Le contexte particulier de ces gisements (puits, verticalité, étroitesse..) a donc menérapidement les observateurs à considérer qu'il s'agissait d'un remplissage de cavités(pré-existantes pour beaucoup d'entre eux) par du minerai, mais le phénomène dekarstification n'est pas encore bien appréhendé, ainsi que l'origine du (ou des) mineraiet la chronologie des phases de remplissage.

C'est ainsi que les interprétations suivantes ont été proposées :

• Pour Salzard (1878), les "minerais de fer portlandiens sont oolithiques etgéodiques", et seraient un mélange de deux minerais majeurs du Crétacé sus-jacent,


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• Pour Cornuel (1879), "les eaux diluviennes ont déposé en désordre dans lesexcavations ce qu'elles avaient entraîné" et "quand ses canaux d'écoulement furentà peu près obstrués par l'entassement du minerai, le comblement s'acheva par unepartie centrale, en cône allongé, rouge plus terreuse et à minerai plus menu que lereste", ce minerai provenant du démantèlement des couches crétacées situées àproximité,

• Dans la carte géologique à 1/80 000, feuille Wassy, Abrard et Corroy (1930)considèrent qu'il s'agit "de Valanginien remanié",

• Pour Schtépinsky (1962), qui établit les levés de la carte géologique à 1/50 000 deJoinville, le remplissage est d'âge quaternaire récent (Pléistocène), d'après lesfossiles de vertébrés (Bos primigenius, Cervus elaphus, Elephas primigenius) qui yont été trouvés pendant l'exploitation récente, même si le minerai géodiqueprovient du Valanginien des couches crétacées situées à proximité, et qu'il a étédéposé après le fonte des glaces post-wurmiennes. Il semble qu'il existe dans cettecartographie une confusion entre les minerais "valanginiens" en place et ceux quiauraient été remaniés au Quaternaire.

Ces diverses propositions, pour intéressantes qu'elles soient compte tenu desconnaissances scientifiques aux époques où elles ont été formulées, apparaissentassez fragmentaires, et ne donnent pas une vision claire et complète de l'origine desgisements de fer de la région de Poissons, ce qui est d'ailleurs relevé par Jaillet(2000), dans son travail de thèse de géographie sur la structure du karst du Barrois.

En ce qui concerne, notamment, une origine quaternaire pour ces gisements, aucuneindication précise n'explique la position des fossiles de vertébrés dans les gisementsdes minières, qui devaient très probablement se trouver dans les dépôts superficielssommitaux des puits et des dépressions karstiques, où ils avaient pu être piégés ouamenés par les ruissellements. Le fait que ce soit les mineurs eux mêmes qui aienttrouvé et vendu ces pièces accentue le doute sur leur origine et leur position exacte.

2.2. CONTEXTE GÉOLOGIQUE ACTUEL

Les sites des minières de Poissons (Mélaire – Le Laiçon) et de Montreuil (HautesMinières) sont entièrement et exclusivement intégrés dans la série des calcairesjurassiques d'âge portlandien (ou tithonien d'après l'échelle stratigraphique la plusrécente). Cette situation n'est pas due au hasard, mais résulte de l'histoire géologiquede ces sites, comme elle sera décrite plus loin.

Lors des journées d'études pluridisciplinaires de juin 2003 sur le site de Poissons, il aété possible de mener une reconnaissance géologique globale des minières situéesdans les secteurs du bois de Mélaire et du Laiçon, qui constituent les deux plusimportants centres d'extraction de minerai. Cette étude a été approfondie en juin 2004,puis étendue au site des Hautes-Minières plus au Nord.


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2.2.1. Données de la carte géologique à 1/50 000

La carte géologique de Joinville (Schtépinsky, 1962) indique que, pour les sites dePoissons – Mélaire et des Hautes Minières reposent, sur un substratum de calcaires àpassées marneuses du Portlandien inférieur (d'une épaisseur de l'ordre de 100 m) :

soit des "grès et sables grossiers, plus ou moins ferrugineux avec du minerai de fergéodique" du Crétacé (Valanginien),

soit des dépôts quaternaires composés "d'argiles sableuses ferrugineusesrougeâtres à morceaux de fer géodique", remaniés au Pleistocène à partir desformations du Valanginien, et donc liés à "la fonte des neiges et des glaces" post-würmiennes.

Sur cette carte, la région est recoupée par plusieurs grandes failles, dont l'une,totalement rectiligne et orientée SE-NW, traverse le site de Poissons, et individualise,de façon schématique, un panneau SW surélevé où les dépôts valanginiens ont étéérodés, et un panneau NE abaissé, qui conserverait ces dépôts.

2.2.2. Interprétation géologique actualisée

Les résultats obtenus à l'issue des travaux de terrain menés sur les deux sites, ainsique ceux provenant des analyses des échantillons de minerai, ne valident pasentièrement les données de la carte géologique à 1/50 000. En effet, si le contexted'ensemble des plateaux calcaires du Jurassique est correctement décrit, lesformations crétacées des "sables valanginiens" n'a pas été reconnues sur le site deMélaire – Le Laiçon, et l'attribution des minerais de fer à des formations quaternairessemble tout à fait erronée. Par ailleurs, la structure de la zone est plus complexe que lareprésentation de la carte géologique ne l'indique, notamment au niveau de la faille quitraverse le site de Poissons et individualise le panneau de Mélaire de celui du Laiçon.

A partir des observations de terrain, de la bibliographie récente et des donnéesanalytiques, il est donc proposé une interprétation actualisée du contexte gîtologiquedes gisements de fer de Poissons et de Montreuil-sur-Thonnance, de leur évolution etde l'origine des minerais.

La représentation du cadre géologique d'après les levés de terrain est reportée sur lefond topographique IGN à 1/25 000 agrandi à 1/12 500 environ, correspondant à lapartie représentative des gisements étudiés et de leurs environs (fig. 1). Sur cette cartefigurent la plupart des puits et des cavités reconnus, dont certaines ont fait l'objet derelevés topographiques par l'équipe de prospection archéologique du PCR-CNRS(responsable D. Jacquemot), la toponymie adoptée étant reprise ici (i.e. dans lesecteur du Laiçon : puits Daphnée, puits de l'Echelle).


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Puits de l'EchelleiiPuits Daphnée

Site des Hautes Minières

77

7i171

71111711

1i111

17177

Faille de Poissons

i 177

ÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒ1ÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒ

1

71

ÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒ

77

Site de Mélaire - Le Laiçon

0.5 1

kilomètres

0

N

Formations de pentes

Zones de plateaux

Failles

Limites communales

Calcaires gélif ractés, colluvions etc.

Plateaux armés par les calcaires du Portlandien

Faille supposéeFaille certaine

Remaniement dans un talweg

Doline

Puits, aven

Autre type de dépression

Dépression de type poljé à fond plat

Types de dépressions karstiques

71i1

ÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒ

Figure 1 – Carte géologique et géomorphologique de la région de Poissons


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2.2.2.1. Lithologie et lithostratigraphie

La lithologie et la stratigraphie des formations du Jurassique sont bien connues surl'ensemble du secteur, d'après la notice de la carte géologique (feuille Joinville,Schtépinsky 1962). Ces données peuvent être validées, tandis qu'une nouvelleinterprétation concernant les terrains de la couverture post-jurassique est proposée.

Site de Mélaire – Le LaiçonLes poches karstiques du site de Mélaire ayant piégé le minerai de fer sontentièrement creusées dans la moitié supérieure de la formation des calcaires duPortlandien inférieur (zone à Cyprina brongniarti et zone à Gravesia). Ce sont descalcaires à texture fine, sublithographiques, parfois légèrement oolithiques,relativement durs, parfois en bancs assez massifs, mais qui se débitent facilement enplaquettes et en petits blocs de quelques centimètres à quelques décimètres (site deMélaire, photos 1-1 et 1-2, site du Laiçon, photo 2).

Photo 1-1

Photo 1-2

Photo 1 – Aspect lithostratigraphique des bancs de calcaire portlandien, site de Mélaire


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Photo 2 – Aspect lithostratigraphique des bancs de calcaire portlandien, site du Laiçon

Une faune caractéristique est décrite dans la notice de la carte géologique. Toutefois,les fossiles ne sont pas fréquents, et ce n'est que localement que l'on a pu observerquelques ostrea sur une surface durcie (niveau de discontinuité stratigraphique), maisl'échantillon n'était pas en place (photo 3).

Photo 3 – Fossiles d'Ostrea sub-en place, site du Laiçon

L'épaisseur totale de ces formations calcaires est de l'ordre de 100 m, peut-être un peumoins ici, du fait de l'érosion qui a pu tronquer le sommet de la série.

Par contre, la présence des "sables valanginiens" du Crétacé, qui étaient censésapparaître en placages relativement épais et continus, n'a pas été vérifiée sur lessecteurs du Laiçon et de La Montagne, 1 km plus au Sud-Est, où les calcairesjurassiques affleurent directement. Ce fait est confirmé par Jaillet (2000) dans sa thèse


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sur les karsts du Barrois, qui n'a pas observé de Valanginien en place dans le secteurdu Laiçon.

Il pourrait éventuellement subsister, localement, des nappages résiduels de cessables, mais on ne peut pas considérer qu'ils représentent dans ces secteurs unensemble cartographiable. Salzard (1878) signale des débris de calcaire à Spatangues(Valanginien), mais nous ne les avons pas identifié non plus.

Les remplissages d'origine des poches karstiques ayant été entièrement exploités, leurcomposition lithologique exacte n'est pas connue. Tout au plus, une argile rouge a puêtre prélevée in situ dans le puits Daphnée sur le secteur du Laiçon, mais il est difficilede savoir si il s'agit d'une argile de décalcification, ou d'une argile résiduelle provenantdu profil latéritique démantelé avec sa cuirasse.

Les références de la bibliographie donnent des informations partielles sur la nature dece remplissage : Tombeck (1875) cite un "limon diluvien" (!), tandis que Salzard (1878)voit du "minerai de fer géodique concassé" n'ayant pas besoin d'être lavé, et donc sansmatrice argileuse, et que Cornuel (1879) mentionne dans les conduits karstiques une"partie centrale en cône allongé, rouge plus terreuse et à minerai plus menu". Il estprobable que le remplissage d'origine était très hétérogène, avec une proportionvariable d'argiles et de sables résiduels, provenant soit d'un profil latéritique développésur les sables et argiles du Valanginien, soit éventuellement des formations post-valanginiennes démantelées (le "limon diluvien de Tombeck"). Il est égalementpossible que, localement, ce remplissage lessivé laisse en place des concentrations dedébris de cuirasse ferrugineuse relativement propres.

Dans un puits de Mélaire (échantillon POI 6) et dans un du Laiçon, on peut observer enplace des débris de cuirasse plaqués contre la paroi de la cavité (photo 4).

Photo 4 – Minerai de fer en place

- site de Mélaire (échantillon POI 6) - site du Laiçon

Le site des Hautes Minières se trouve dans le même contexte lithostratigraphique quecelui de Mélaire, à savoir le sommet des calcaires du Portlandien inférieur (zone àCyprina brongniarti et zone à Gravesia).


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Cependant, situé à une altitude d'environ 365 m, la série calcaire semble ici pluscomplète qu'à Mélaire (épaisseur supérieure à 100 m), car les marneskimméridgiennes sous-jacentes seraient à une altitude de 250 m environ, contre 300 mà Mélaire.

Mais là aussi, la précision de la carte géologique n'est pas très fiable, car toutes lespentes sont recouvertes de dépôts de pente et de colluvions, et le contact entre lesmarnes et les calcaires n'est pas visible directement.

Dans une tranchée actuelle des Hautes Minières, creusée par un agriculteur, onobserve à petite échelle, sous la surface, un remplissage karstique argileux rougecontenant des débris de cuirasse ferrugineuse (photo 5), pouvant donner une idée dece qu'était le remplissage des cavités de grandes dimensions, dans lesquellescependant, les formations devaient être plus évoluées et donc relativement indurées.

Photo 5 – Remplissage karstique en place, site des Hautes Minières

2.2.2.2. Géologie structurale

La structure de la région de Poissons semble conditionnée par les deux grandesfamilles de failles orientées perpendiculairement à plus ou moins 10° : failles N140° Equi sont empruntées par les principales vallées, dont celle de la Marne et du Rongeant,et failles N50° E. Ces failles délimitent de nombreux panneaux tectoniques expliquantla morphologie très compartimentée de la région.


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Site de Mélaire

Le site de Mélaire est traversé par une faille ("faille de Poissons"), d'amplitudeprobablement régionale, qui délimite deux compartiments correspondant aux secteursdu Laiçon au Nord-Est et au secteur Calais - Bois de Mélaire au Sud-Ouest.

La grande faille rectiligne indiquée par la carte géologique n'est pas explicitementmarquée à l'emplacement reporté sur le terrain. D'après nos observations, il s'agit d'unaccident de forme plus sinueuse, recoupé par des failles transverses, passant du Sudau Nord par le "col de Mélaire", puis empruntant la vallée de la Male Combe pourrejoindre la large vallée située en contrebas.

Au Sud du col, il semble que cette faille soit décalée vers le Sud-Ouest, au niveau despremiers lacets de Mélaire, par un accident orienté N80° Est, qui traverse alors lesecteur du Laiçon. Ce trait structural important se traduit par les faits suivants :

- Un nouveau tracé de failles est proposé sur la carte géologique etgéomorphologique révisée (fig. 1), mais son l'emplacement exact est masquépar les formations de pentes (formations périglaciaires de versantgélifractées et colluvions) qui empâtent les reliefs,

- D'après les altitudes indiquées par la carte topographique, les terrains d'âgeéquivalent situés au SW de cet accident sont plus élevés (380 à 390 m) queceux situés au NE (350 à 360 m), ce qui confirme le sens et l'amplitude durejet vertical de la faille, soit une trentaine de mètres,

- Le fonctionnement de cette "faille de Poissons" est largement postérieureaux phases d'altération latéritique qui ont affecté la surface des calcairesavec leurs placages crétacés, et au piégeage des débris de cuirasseferrugineuse dans les dépressions karstiques. Compte tenu du dénivelé de30 m, encore net entre les deux compartiments, son rejeu semble donc plusrécent, probablement en liaison avec la tectonique alpine, et même la néo-tectonique quaternaire,

- Cependant, il semble qu'il y ait un contrôle tectonique dans la mise en placeou le fonctionnement de certaines cavités, comme cela semble être le cas auniveau des excavations de la partie sud du secteur du Laiçon. Les cavités, àpartir du puits de l'Echelle, sont en effet alignées selon une direction N 140°Est, parallèle à la faille de Poissons, de même que les dolines de la partiesud du site de Mélaire. Ce contrôle pourrait avoir agit de façon relativementrécente (au cours du Tertiaire - Quaternaire ?).


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Site des Hautes Minières

Le site des Hautes Minières semble se placer en dehors des tracés de faille d'ordrerégional, bien que certaines combes situées au Sud et au Nord du site paraissentsuivre des orientations de failles (au Sud, Combe aux Noyers, parallèle à la faille dePoissons, et au Nord Combe du Gros Fourneau et Combe Chivard). Il est possible quela faille qui semble se trouver au niveau de la combe du Gros Fourneau affecte lapartie sud du site d'exploitation. Sur place, on n'observe pas de fracturation nette, maisquelques diaclases, masquées par le délitage et l'altération superficielle des calcaires.

Ce site n'est donc pas affecté directement par une tectonique cassante, et on ne notepas de contrôle dans la répartitions des poches de minerai, même si un remaniementde ce minerai semble avoir rempli le talweg N-S se raccordant à la Combe Chivard,situé dans la partie nord du site.

2.3. GÉOMORPHOLOGIE ET TRAITS HYDROGÉOLOGIQUES ACTUELS

2.3.1. Géomorphologie des sites

la géomorphologie actuelle des sites de Mélaire – Le Laiçon et des Hautes Minièresest marquée par une position de plateaux armés par les calcaires jurassiques, entailléspar des vallées encaissées. Notons que le contexte paléogéographique de la périoded'émersion des sites, qui a vu se former puis se concentrer le minerai de fer, était detype supra-littoral , et donc que la géomorphologie des sites d'origine devait cependantêtre totalement différente de ce que l'on observe actuellement.

On observe maintenant les traits géomorphologiques particuliers suivants :

- une répartition relativement plane des poches karstiques au niveau desgrands ensembles que constituent les secteurs de Mélaire, du Laiçon et desHautes Minières,

- une grande variété dans la typologie des excavations : puits correspondant àde petits avens ? (photo 6), poljés (photo 7), fentes étroites liées à lafracturation (photo 8), avec présence localement de dépressions d'aspectdolines, situées préférentiellement sur le rebord ouest du secteur de Mélaire,

- un remaniement local de minerai dans des talwegs, l'un de dimension réduitesur le rebord ouest du plateau de Mélaire, l'autre atteignant 500 m de long,sur le flanc nord du site des Hautes Minières, talwegs qui pourraientcorrespondre à des vallées sèches, dans lesquelles le minerai a pu êtreentraîné et reconcentré par le ruissellement et les fontes de glace auQuaternaire,

- une position topographique anormale des poches de minerai sur le flanc norddu secteur de Mélaire, abaissée à une altitude de 330-335 m.


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Photo 6 – Aven avec puits vertical, site du Laiçon

Photo 7 – Dépression allongée à fond assez plat, de type poljé, site du Bois de Mélaire

Photo 8 – Fente verticale étroite, site du Laiçon


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Ces caractéristiques géomorphologiques sont à mettre, du moins en partie, en relationavec les structures tectoniques locales :

différence d'altitude entre les secteurs de Mélaire (panneau surélevé à 390 m) etdu Laiçon (panneau abaissé à 360 m environ) due à la faille de Mélaire, dont lerejet est de l'ordre de 30 m,

flexure du panneau de Mélaire en bordure de la faille, ou petit compartimentabaissé entre la faille principale et une faille annexe, expliquant la position despoches de minerai sur le flanc nord du secteur de Mélaire,

alignement des dolines et des cavités selon un axe NW-SE, pouvant être lié àl'orientation et la direction de la faille de Mélaire.

En ce qui concerne les excavations visibles depuis la surface, celles-ci se répartissentde façon relativement aléatoire, bien qu'en grande densité dans les zones centrales,sur les sites de Mélaire, du Laiçon et des Hautes Minières.

La surface des formations calcaires jurassiques apparaît donc comme très karstifiée,avec des cavités de types variés, et de dimensions pouvant atteindre plusieurscentaines de mètres de long et plusieurs dizaines de mètres de profondeur : puits,fentes et conduits verticaux à ramifications plus ou moins horizontales, qui ont été misà jour par l'exploitation minière. Certaines de ces cavités ont fait l'objet de relevésdétaillés par l'équipe de prospection et d'exploration souterraine (D. Jacquemot).

Les parois de ces excavations, poches et puits etc. sont souvent altérées,déstructurées et donc difficiles à observer. Cette altération pourrait être ancienne,contemporaine du remplissage par les matériaux latéritiques, puis elle s'estgénéralisée et a conduit à une destruction des parois après le dépilage du minerai etl'exposition aux conditions atmosphériques, avec formation d'éboulis mal stabilisés enpied de paroi. Localement, dans le secteur du Laiçon on peut cependant voir dessurfaces cannelées et des stries verticales très nettes et intactes, qui montrent bien lanature typiquement karstique de ces puits et cavités (photo 9).

Photo 9 – Puits vertical à surface canellée, site du Laiçon


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Sur le site des Hautes Minières, les excavations sont également de types variés, avecplutôt une prédominance des poljés formant des structures allongées, mais il y a aussides puits verticaux très nets, et des structures évoquant des dolines, mais dont lesflancs ont peut-être flué pour avoir une forme aussi nette (photo 10). L'intérêt du siteest de montrer dans une tranchée actuelle creusée à la pelle par un agriculteur unremplissage de karst par un matériau argileux rouge contenant des débris de cuirasseabondant, et qui pourrait être assez représentatif, quoique de petite dimension, de cequ'étaient les poches avant leur exploitation (photos 11).

Photo 10 – Dépression de type doline, site des Hautes Minières

Photo 11 – Poche karstique à remplissage argileux, site des Hautes Minières


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2.3.2. Aspects hydrogéologiques et fonctionnement du karst

Dans le contexte local de la formation carbonatée du Jurassique avec sa surfacekarstifiée et des éventuels placages ferrugineux résiduels du Crétacé, l'incision de laMarne et de la Saulx a pu accentuer les phénomènes de karstification, car il y a eualors ouverture d'une "fenêtre hydrogéologique" dans l'aquifère captif des calcairesjurassiques (Jaillet 2000).

Cependant nous considérons que la karstification a commencé de façon très précoce,dès l'émersion crétacée, même si elle s'est poursuivie et accentué ultérieurement.

Actuellement, le drainage général des sites se fait par les talwegs périphériques qui lesentourent, ou par infiltrations karstiques dans les calcaires de plateau et dans lesformations de pente. La karstification du substratum calcaire peut se poursuivre, maiselle est très modifiée par le fait que les cavités ont été évidées de leur contenu argilo-ferrugineux.


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3. Caractérisation des minerais

Au cours des campagnes de terrain, dix échantillons de minerais et de gangueargileuse, dont certains en place (exemple échantillon POI-6, voir photo 5, p. 15),d'autres en dehors de leur emplacement d'origine, ont été prélevés sur le site deMélaire – le Laiçon, six échantillons considérés comme en place ou sub-en place sur lesite des Hautes Minières, et un sur le bocard de Montreuil, où du minerai était lavé etconcassé.

Huit échantillons ont été retenus pour caractérisation pétrographique et minéralogique,avec analyse chimique :

- 4 échantillons provenant des Hautes Minières, - 3 échantillons du site de Mélaire – Le Laiçon, - l'échantillon du bocard de Montreuil.

Les méthodes analytiques utilisées ont été les suivantes :- étude optique descriptive de la nature et de la texture des différents minerais

(déterminations P. Jézéquel), - étude minéralogique au microscope avec contrôle au Microscope électronique à

balayage (MEB) sur 3 échantillons (J. Breton, P. Jézéquel),- analyse chimique par fluorescence X sur les 8 échantillons.

3.1. DESCRIPTION PÉTROGRAPHIQUE ET MINÉRALOGIQUE OPTIQUE,CONTRÔLE AU MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE À BALAYAGE

HM 1 – Echantillon sub-en place, prélèvement au niveau d'une excavation à l'Est desHautes Minières

Grès ferrugineux à quartz dominant en grains limpides et/ou laiteux, anguleux àarrondis, dans une matrice à oxyde de fer moulant les grains de quartz quasimentjointifs. La granulométrie du quartz varie de la centaine de microns au millimètre, maisprésente un aspect relativement homogène. La surface externe de l’échantillon, decouleur ocre - brune, correspond à un enduit de surface à limonite – silicates(microphyllites visibles) et à un début d’altération de la matrice ferrugineuse qui donnela limonite de surface.


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Grès à ciment ferrugineux : vue d’ensemble Détail de la morphologie du quartz

Photo 12 – Pétrographie échantillon HM 1

quartz

Remplissage àoxyhydroxyde de fer


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Image MEB n°1, électrons rétrodiffusés

Photo 13 – HM1 - Contrôle morphoscopique des grains de quartz au MEB

L’aspect général est homogène. Les indices d’émoussé observés sur les grains,l’homogénéité apparente de ces grains de quartz font penser à des sablescénomaniens recimentés par des apports ferrugineux. Ce sable serait d’origine marineplutôt que continentale (vestiges albo-cénomaniens probables). Les arrivées sableusesà quartz sont piégées en zone karstique et cimentées par une ferruginisation intense.

Présence dans le liant ferrugineux de grains à TiO2 (rutile), ainsi que de grains à Ti >Fe (ilménite ?).


Photo 14 - HM 1 : remplissage ferrugineux cimentant les grains de quartz.

HM 2 – Echantillon en place, prélèvement dans une tranchée actuelle au Nord desHautes Minières

Bloc massif allongé d’un diamètre supérieur à 10 cm, composé d’oxyhydroxyde de ferd’aspect scoriacé avec niveaux à hématite massive brun rouge centimétrique alternantavec des zones ocre sombre poreuses et friables : alternance d’hématite – goethite etlimonite poreuse. La structure noduleuse ou oolithique est nettement visible sur coupefraîche. Ces oolithes ferrugineux sont creux mais parfois pleins et constitués decouches concentriques d’oxyde de fer. Ce faciès est comparable aux bauxitespisolitiques décrites dans le Sud de la France (Provence).


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Vue d’ensemble du minerai Détail de la texture oolithique altérée

Photo 15 – Pétrographie échantillon HM 2Contrôle MEB Echantillon HM2

L1G1 : analyse globale : Fe >> O > Mn, Ti, Si, Al

Spectre EDS n°1, échantillon HM2 : analyse globale du grain.

HM 3 - Echantillon en place, prélèvement dans une tranchée actuelle au Nord desHautes Minières

Bloc pluricentimétrique aux contours arrondis, de couleur ocre brune à surface grenuehomogène. Il s’agit d’un minerai de fer à structure oolithique, composé de sphères de100 à 500 µm d’oxyde de fer en couches concentriques (hématite - goethite). On ydistingue des plages altérées, sortes de « golfes » ocres où domine la limonite.Quelques éclats anguleux de FeO inclus dans cette matrice limonitique témoigne d’uneorigine détritique de ce minerai secondaire.


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vue d’ensemble du minerai avec partie limonitisée (jaune) éclat anguleux (FeO) dans une plage oolithiquelimonitisée


HM 4 - Echantillon en place, prélèvement dans une tranchée actuelle au Nord desHautes Minières

Bloc scoriacé de minerai de fer présentant des cavités géodiques tapissées de goethitemamelonnée sombre, formant une couche d’épaisseur millimétrique àplurimillimétrique. Cette couche est suivie d’une série de niveaux où alternent limoniteocre, hématite rouge et à nouveau limonite plus épaisse et poreuse. Cette organisationen couches successives donne un aspect bariolé à cet échantillon particulièrementriche en cavités. La structure oolithique n’est pas visible sur cet échantillon.

Hématite + goethite

limonite

vue générale du minerai détail des niveaux ferrugineux


Contrôle MEB Echantillon HM4 L1G2 : Fe >> O ε Ti, Mn, Al, Si (spectre EDS n°1)


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Spectre EDS n°2

Spectre EDS n°1

Fe >>> O ε Si, Al, P

Image MEB n°3 . Electrons rétrodiffusés

Photo 18 - HM4 : relique de structure oolithique visible dans une plage à Fe>>> O,ε Si, Al, P.

Dans cet échantillon, on observe une alternance de bandes parallèles aux bords decavités ouvertes qui donnent en électrons rétrodiffusés, pour les bandes claires : Fe, Oavec traces de Si et Al et pour les bandes sombres, les mêmes éléments + P et Ca.

Spectre EDS n°2 . Echantillon HM4. Analyse globale des anneaux concentriques sombres.

Spectre EDS n°3 . Echantillon HM4. Analyse globale des anneaux concentriques clairs.


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Spectre EDS n°3

Spectre EDS n°4

Spectre EDS n°5

Image MEB n°4. Electrons rétrodiffusés

Photo 19 - HM4 : reliques d’argilanes ferruginisés à texture microgrenue

Spectre EDS n°4. Echantillon HM4. Analyse ponctuelle de la zone la plus riche en Fe

Spectre EDS n°5.Echantillon HM4.Analyse des bandes parallèles sombres.(la présence de Cl est liée à l’induration de la lame en laboratoire).


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Spectre EDS n°5.Echantillon HM4. Analyse des bandes parallèles claires. La quantité de Mn détecté paraît moins importante dans les bandes claires.

Il existe donc des similitudes de structures et de compositions entre cet échantillon etl’échantillon POI 6

.

POI 6 - Echantillon en place, prélèvement dans un puits du secteur du bois de Mélaire

Echantillon pluricentimétrique d’aspect scoriacé, microporeux, constitué de litsd’hématite massive alternant avec des plages à goethite - limonite dans lesquelles lastructure oolithique est encore visible bien que fortement altérée, limonitisée. Lescavités arrondies ou sphériques restent encore visibles localement. L’extérieur del’échantillon ainsi que les cavités internes sont tapissés de carbonates associés à lalimonite (ocre clair). La présence de sidérite n’est pas exclue dans ce typed’échantillon.

plage à goethite – limonite alternance d’hématite rouge et plage oolithique altérée


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Photo 20 – Pétrographie échantillon POI 6

Analyse globale : Fe ε Si > Al. Alternance de zones sombres à Fe >> Si, Al (voirspectre EDS n°6) et de zones claires à Fe ε O (voir spectre EDS n°7). Présence destructures pisolitiques ferrugineuses (spectre EDS n°8, image MEB n°5).

Spectre EDS n°6, échantillon Poi 6 : analyse globale des zones sombres.

Spectre EDS n°7, échantillon Poi06 : analyse globale des zones claires.


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Si, Al, Fe

Fe


Photo 21 - Echantillon POI 6 : image d’une structure pisolitique.

Al est toujours associé à Si et donc lié à la présence d’argile. Présence également departicules lamellaires à Mn >> K. On constate une grande variabilité de la structurecomme le montre l’image n°4.

Spectre EDS n°8, échantillon POI 6 : analyse globale d’un pisolite.


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Ph

Photo 22 - échantillon POI 6 : variabilité de la structure (lamellaire fracturée d’un côté, auréoléede l’autre).

POI 8 - Echantillon en place, prélèvement dans le puits Daphnée du secteur du Laiçon

Echantillon pluricentimétrique d’oxyhydroxyde de fer à texture oolithique avec litsplurimillimétriques de goethite massive mais dans laquelle on observe des formessphériques, oolithiques, alternant avec des plages ocre - clair constituées d’ooliteslimonitisés jointifs à couches concentriques localement visibles et traces externes decarbonates.

vue d’ensemble du minerai détail d’une plage altérée : structure pisolitiquevisible



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POI 10 - Echantillon en place, prélèvement dans le puits de l'Echelle secteur du Laiçon

Echantillon prismatique d’épaisseur centimétrique et de 5 à 6 cm de longueur,constitué d’une partie centrale à structure oolithique ( nodules ferrugineux massifs etjointifs en goethite probable) et de bordures externes ocre - clair en limonite associée àune couche continue de calcite en cristaux automorphes sur les faces externes.

vue d’ensemble avec niveau calcitique, limonitiqueet minerai massif

détail du niveau calcitique de surface


Echantillon Bocard Montreuil

Echantillon scoriacé ocre - brun, pluricentimétrique avec cavités internes et veinesd’oxyde de fer massif encadrant des plages ferrugineuses à nodules pisolitiques degoethite massive et cristaux saccharoïdes de quartz laiteux disséminés dans la matriceferrugineuse. Aspect général de brèche polygénique avec pisolites ferrugineux, quartzisogranulaire abondant disséminé dans tout l’échantillon, débris ligneux (anciensvégétaux transformés) limonitisés et encroûtement externe à carbonates dominants,phyllites et limonite associée.

vue d’ensemble de l’échantillon débris ligneux dans une gangue à fer oolitique etquartz détritique


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Photo 25 – Pétrographie échantillon Bocard de Montreuil

Cet échantillon ne ressemble pas aux précédents et semble correspondre à unereprise d’une formation ferrugineuse à structure pisolitique originelle avec apportd’éléments détritiques tels que quartz et débris végétaux.

3.2. ANALYSE CHIMIQUE PAR FLUORESCENCE X

L’analyse chimique type « minerai de fer » a été réalisée sur les 8 échantillons pour leséléments suivants : Fe total, Al, Ca, K, Mg, Mn, Na, P, Si, Ti et perte au feu.

Les résultats d’ensemble sont reportés dans le tableau 1.

Al2O3 CaO Fe2O3total

K2O MgO MnO Na2O P2O5 TiO2 PF(Perteau feu à1000°C)

SiO2

Limite 0.2 0.1 0.05 0.05 0.2 0.02 0.2 0.05 0.05 0.1 0.2

% % % % % % % % % % %

HM-01 1.1 0.1 31.3 < LQ 0.2 0.03 0.4 0.05 0.08 4.88 62.7

HM-02 5.6 0.3 72.5 0.1 0.3 0.18 0.4 1.29 0.1 14.7 4.5

HM-03 7 0.1 70.3 0.05 0.3 0.2 0.2 0.38 0.05 14.6 6.4

HM-04 4.7 0.3 70.2 0.24 0.3 1.31 0.8 0.98 0.13 15.8 4.8

POI-06 3.9 0.3 78.2 0.18 0.3 0.32 0.2 0.26 0.11 11.9 4.9

POI-08 9.4 0.3 63.6 0.17 0.7 0.15 0.3 0.62 0.09 15.6 9.7

POI-10 7.6 3.7 64 0.07 0.4 0.12 0.2 0.66 < 0.05 17.1 6.3

BocardMontreuil

6.9 0.3 62.1 0.09 0.2 0.19 0.3 0.77 0.07 14.8 13.4

TABL. 1 – COMPOSITION CHIMIQUE DES ECHANTILLONS ETUDIES

On remarque les points suivants :

- les minerais sont riches en fer (sauf l’échantillon de grès ferrugineux du sitedes Hautes Minières), les trois échantillons représentatifs de ce site étant enmoyenne légèrement plus riches (71 %) que ceux de Poissons (68,6 %), bienque l’échantillon le plus riche vienne de ce dernier site (POI 6 : 78,2 %)


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- les minerais sont peu bauxitiques (Al2O3 < 10 %), mais la teneur moyennedes échantillons de Poissons et légèrement supérieure à celle deséchantillons des Hautes Minières (7 % contre 5,8%)

- les teneurs en silice sont faibles, sauf dans l’échantillon du bocard deMontreuil (et bien sur dans l’échantillon gréseux des Hautes Minières),

- les teneurs en phosphore sont faibles dans les échantillons de Poissons(moins de 1 %) alors qu’elles sont légèrement plus élevées dans ceux desHautes Minières,

- les teneurs en calcium sont faibles et peu significatives, sauf pourl’échantillon POI 10, dans lequel des carbonates de fer néoformés (ankérite)se traduisent par une teneur de 3,7 %,

- les teneurs en manganèse sont faibles, sauf dans l’échantillon HM 4, où cetélément peut se trouver en substitution du fer,

- les teneurs en potassium, magnésium, sodium et titane sont faibles etpeu significatives,

- les pertes au feu, comprises entre 11,9 et 17,1 %, sont élevées et du mêmeordre de grandeur pour tous les échantillons, hormis le grès ferrugineuxprovenant des Hautes Minières (4,9%). Ces valeurs élevées sont liées à laprésence de limonite de formule générale FeO(OH), oxyde hydraté produit àpartir de la goethite et de l'hématite. La valeur la plus élevée (17,1 %) est dueà la présence de carbonates dans l'échantillon POI 10.

3.3. SYNTHÈSE DES DONNÉES PÉTROGRAPHIQUES ET ANALYTIQUES

On distingue cinq types de minerais d'après les données pétrographiques etanalytiques :

• L'échantillon HM4, provenant des Hautes Minières, est un exemple type de débrisde cuirasse latéritique ferrugineuse massive, à structure stratifiée,correspondant au minerai "géodique" des anciens,

• Les échantillons HM3 et POI 10 sont entièrement constitués de pisolithes, forméspar nodulisation d'une cuirasse, et cimentés par un liant ferrugineux, du à lamobilité du fer,

• Les échantillons HM2, POI 6 et POI 8 sont des minerais mixtes, où le facièspisolithique côtoie le faciès massif dont il est issu,

• L'échantillon gréseux HM1 qui provient des Hautes Minières est probablementreprésentatif d'une remobilisation de fer qui a cimenté un sable d'originecrétacé


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• L'échantillon provenant du bocard de Montreuil ne correspond pas aux typesclassiques de minerais décrits plus haut, mais pourrait résulter d'un remaniementd'éléments détritiques hétérogènes (pisolithes, quartz, débris ligneux) cimentéspar un liant ferrugineux diagénétique.

Les divers échantillons de minerais de fer encore en place, ou remaniés en surface,correspondent donc pour la plupart à des débris d'encroûtements latéritiquesconstitués d'hématite – goethite en plaques ou en petits nodules et pisolithes, altéréeslocalement en limonite, qui ressemblent tout à fait aux cuirasses latéritiquesdéveloppées en climats tropicaux et observables actuellement en Afrique et Amériquedu Sud.

Ces observations sont confirmées par les travaux développés depuis une vingtained'années, qui ont reconnu au niveau régional une phase d'altération continentale detype latéritique, d'âge crétacée inférieur, développée ici sur les formations argilo-gréseuses du Valanginien et les calcaires jurassiques (cf. Wyns et al., Géologie de laFrance n°1,2003).

Les minerais "primaires" provenant des sites de Poissons et de Montreuil-sur-Thonnance sont riches en fer, pauvres en aluminium et en phosphore : ils constituentainsi d'excellents minerais, dont le traitement minéralurgique s'en trouvait facilité.


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4. Synthèse géologique et proposition d'unmodèle de genèse du gisement

A la suite de la surrection du bouclier rhénan consécutivement à l'ouverture del'Atlantique nord au début du Crétacé, et à l'émersion des terrains jurassiques etcrétacés qui le bordaient, une phase d'altération latéritique en climat tropical a affectél’ensemble de ces formations (Wyns et al. 2003).

Les gisements de fer reposant sur une surface jurassique karstifiée sont ainsi connusen Ardennes (Voisin 1994), Lorraine, Bourgogne et Franche-Comté (Morin 1993)

En ce qui concerne les gisements de la région de Poissons, on peut d'après lesrésultats de la présente étude, proposer un modèle génétique cohérent, même sicertains aspects chronologiques semblent encore indéterminés.

4.1. ALTÉRATION LATÉRITIQUE LORS DE LA PHASE D'EMERSION ÉO-CRÉTACÉE, FORMATION ET PIÈGEAGE DU MINERAI "GÉODIQUE"

La répartition des gisements de la région de Joinville, d'après les cartes géologiques,est assez uniforme sur la surface d'émersion eo-crétacée reposant sur formationsdétritiques du Valanginien et les calcaires du Portlandien.

Au cours de cette émersion, l’altération latéritique, avec formation de profils completscomportant le terme ultime de l’évolution que constitue la cuirasse alumino-ferrugineuse, a affecté la couverture crétacée, tandis que la karstification dusubstratum calcaire jurassique a été probablement active et continue pendant toutecette période d'émersion.

C'est ainsi que Jaillet (2000) a observé dans le gouffre du Tunnel, dans la région deSavonnières-en-Perthois, environ 20 km au Nord de Poissons, du Valanginienferrugineux en contact stratigraphique direct avec les calcaires du Portlandien.

Cet auteur décrit également le développement de poches de fer crypto-karstiques souscouverture dans les calcaires du Portlandien de la carrière souterraine d'Aulnois-en-Perthois. On peut y voir un remplissage ferrugineux constitué par les débris de mineraien plaquettes, dans une matrice argileuse, provenant d'une cuirasse démantelée etsous-tirée par la karstification.


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En ce qui concerne les gisements de la région de Poissons, on peut donc représenterle schéma génétique suivant (fig. 2) :

• formation d'un profil d'altération latéritique et d'une cuirasse ferrugineuse sur lacouverture crétacée (et une partie des formations carbonatées ?), aveckarstification simultanée du substratum calcaire. La formation de ce profil a duréune longue période (de l'ordre d'un ou plusieurs MA), car la cuirasse ferrugineuse,qui en est le terme extrême, ne peut se former qu'après une longue évolutionchimique,

• démantèlement des cuirasses, sous-tirage karstique et érosion, piégeage etconcentration simultanés d’une fraction des argiles latéritiques et des débrisrésiduels de cuirasse ferrugineuse dans les cavités et dépressions karstiques(minerai "géodique", ou "fer géodique inférieur" de Thiria), avant l'épisodetransgressif de l'Hauterivien,

• Scellement des formations résiduelles et des gisements karstiques par les dépôtstransgressifs marins carbonatés du Crétacé inférieur. Dans la région de Poissons,cette couverture a été érodée, alors que plus au Nord, dans la région de St-Dizier,elle a protégé les gisements de fer "géodique", qui ont été exploités en souterrain.

4.2. LA TRANSGRESSION CRÉTACÉE ET LA FORMATION DU MINERAI"OOLITHIQUE"

La trangression marine qui scelle les formations latéritisées et karstifiées se produitdès l'Hauterivien, étage qui succède au Valanginien latéritisé. Au Barrémien, étagesuccédant à l'Hauterivien, une nouvelle phase d'émersion (Barrémien supérieur) setraduit à nouveau, par la formation d'un profil d'altération latéritique caractéristique,visible à l'Ouest de la Marne, et dans le graben de Narcy, à une vingtaine de km auNord de Joinville, avec de bas en haut, des sables et grès plus ou moins ferrugineux,des argiles "panachée", équivalent probable des argiles tachetées des profilslatéritiques, et un minerai de fer "oolithique", qui a été exploité dans les environs deMaizières et de Narcy. Les formations de l'Aptien et de l'Albien qui succèdent auBarrémien sont entièrement marines.

D'autres phases d'émersion altération ont pu se produire par la suite, comme c'est lecas pour les minéralisations ferrifères de la région de Montbéliard, qui sont interprétéescomme "des sols anciens, témoins d'une longue période d'altération ferralitique et dekarstification, qui s'étend du Crétacé terminal à l'Eocène" (Monthel 2003). Cesminéralisations sont donc plus récentes que celles de Poissons, mais se présententégalement, du moins pour partie, "en amas ou boyaux dans les calcaires jurassiques,s'agissant de remplissage de cavités karstiques par des argiles sidérolitiques". Lesgisements sont recouverts par des formations tertiaires, sauf dans l'ancienne minièrede Bussurel, qui affleure dans un panneau surélevé par failles. Le minerai a étéexploité depuis 1440, mais surtout au 19° siècle (Morin 1993).


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Figure 2 – Modèle de genèse des gisement de fer d'origine latéritique (région de Poissons)


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4.3. EVOLUTION DES GISEMENTS APRÈS LEUR MISE EN PLACE

Il est certain que les dépôts ferrugineux piégés en système karstique ont par la suiteévolué, notamment lors de la surrection définitive des terrains et de la tectoniquealpine, puis de remaniement de surface au cours des périodes de glaciations et dedéglaciations quaternaires.

Pendant les diverses émersions et transgressions marines du Crétacé, du minerai detype oolithique a pu se former par reprise (dissolution, diagenèse) d'un stock deminerai préexistant. Le fer sous forme oxydé étant très mobile, une évolutiondiagénètique des minerais avec dissolutions et cimentations s'est produite et a été àl'origine de formation de minerais secondaires, comme le grès à ciment ferrugineuxtrouvé sur le site des Hautes Minières.

La répartition actuelle des gisements ne correspond sans doute pas à celle d'origine,par suite d'érosion d'une partie d'entre eux. Aussi la surface formée par le substratumcalcaire portlandien et concernée par le piégeage de cuirasse démantelée devait êtreplus importante que celle qui est maintenant observable.


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5. Relations possibles entre les caractéristiquesdes gisements et leur exploitation historique

Les minières de Poissons sont exploitées de façon certaine depuis le XVII° siècle,comme l'atteste un texte des titres et charte de la seigneurie de Poissons daté de1693, mentionnant que "du minerai avait été tiré et fouillé dans les bois d'usagecommuns depuis plus de trente ans". Au XVIII° siècle, certaines parties des gisementssont déjà épuisées.

Dans la vallée du Rognon (à Bourdons), le minerai a été extrait depuis le XII° siècle(d'après les recherches documentaires de M. Philippe, membre du PCR), aussi il estpossible que l'exploitation de ce minerai ait commencé dès le Moyen-Age, ou même àl'époque gallo-romaine, comme cela a été noté par Salzard (1878) à Bettancourt-la-Ferrée près de St-Dizier. Dans cette localité, la présence d'anciens crassiers sur lessites d'exploitation doit, pour cet auteur, remonter à l'époque des forges à bras gallo-romaines. A partir des alignements de dolines, les mineurs ont atteint plus facilement lacouche à fer géodique, qu'ils ont alors exploité en souterrain.

Les gisements de la région de Poissons présentent dans ce cas des caractéristiquesbeaucoup plus favorables à une exploitation ancienne, ceci pour les raisonsmentionnées ci-dessous :

• Présence du minerai très apparente à la surface du sol : au départ, la présence deblocs de minerais, de taille parfois pluridécimétrique, concentrés dans des pocheskarstiques et donc en grande densité au sol, a du attirer l'attention, d'autant plusque la végétation sur place devait présenter quelques particularités compte tenu dela nature et de la composition chimique des terrains, donc des sols développésdessus (minerais de fer et argiles dominants, différents des terrains sur substratumcalcaire aux alentours).

• Facilité d'extraction à partir de la surface, du moins au début de l'exploitation :l'exploitation du minerai à partir d'affleurements au sol n'a pas posé de difficultéssur le plan minier, du moins dans la phase initiale puisqu’il suffisait de creuser àpartir de la surface, les blocs pouvant être recueillis à la main ou à la pelle et lapioche (exploitation épidermique) quand ils étaient erratiques. Par la suite, lesmoyens techniques se sont adaptés aux conditions plus complexes de l'extractionen puits ou en galeries, mais on sait que les gallo-romains maitrisaient déjà destechniques de ce genre en d'autres endroits.

Les différentes phases d'exploitation successives, selon les époques, ont remanié etdétruit les traces précédentes laissées sur les sites, tels que des amas de stériles(blocs de calcaire) et les dépressions, de plus en plus importantes. Aussi le contexteactuel très dégradé, à l'exception de galeries profondes préservées, rends la lecturedes phases d'exploitation peu aisée.


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6. Conclusions

Les gisements de fer de Poissons (Mélaire, le Laiçon) et de sa région (HautesMinières), connus depuis longtemps, ont toujours intrigué par la diversité,l’hétérogénéité et la complexité des contextes dans lesquelles se trouvaient lesminerais. De ce fait, la genèse des gisements et l’origine des minerais n'apparaissaientpas clairement compréhensibles.

Aussi, après des explications plus ou moins réalistes avancées depuis la fin du 18°siècle, il apparaît que ces gisements se placent dans le cadre d’une évolutiongéologique régionale dont l’histoire commence pendant la phase d’émersion éo-crétacée et la période de latéritisation en climat tropicale ayant affecté les terrainssédimentaires émergés.

Les minerais de fer ont été formés pendant une longue période d'altération latéritique,de l'ordre d'un à plusieurs millions d'années, et sont de type cuirasse ferrugineuselégèrement alumineuse, telle que celles qui sont connues dans les régions tropicalesactuelles, et qui sont aussi à l'origine des gisements de bauxite en France.

Cette cuirasse a été démantelée par l'érosion et les résidus ont été piégés de façonprécoce dans les poches karstiques creusées dans le substratum calcaire sous-jacent,le phénomène de karstification ayant joué dès la phase d'émersion régionale.

Les gisements primaires ainsi formés ont été préservés par les dépôts marins duCrétacé, puis mis à jour par l'érosion, partiellement détruits, et ont subi des phases deremaniement et de diagenèse aboutissant à l'aspect qu'ils présentaient avant leurexploitation. La singularité des gisements, composés de blocs de cuirasse ferrugineusedans une matrice argileuse rouge, affleurant au milieu des terrains calcaires, dans uncontexte géomorphologique très apparent, est très probablement à l'origine d'uneexploitation ancienne (Antiquité ?).

L'aspect actuel des sites, maintenant que le minerai exploité montre une grandediversité de modelé karstique, est donc le résultat d’une histoire géologiquerelativement longue, puis d'une intervention humaine datant probablement de plusieursmillénaires.

Les traces d'exploitation sont rares sur les sites étudiés, et celles du traitement duminerai (bocard et fourneaux) sont situées en dehors des zones exploitées. L'étudepétrographique d'un échantillon provenant du bocard de Montreuil, entre les sites dePoissons Mélaire et de Montreuil Hautes Minières, dont la composition est différentedes autres échantillons prélevés sur les sites d'extraction, laisse à penser que duminerai provenant d'autres sites pouvait être traité avec celui des gisements étudiés.


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